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domingo, 5 de mayo de 2013

TÉCNICAS DE REPRESENTACIÓN REALISTAS

18:33 | Posted by |
La representación realista de cada elemento de interés patrimonial requiere de conocer las ventajas y limitaciones de cada técnica para elegir en cada momento qué alternativa se adapta mejor a las necesidades de cada proyecto. Las elecciones que se realizan en cada etapa del flujo de trabajo tienen repercusión en las siguientes, por lo que es necesario dominar (al menos conceptualmente) las alternativas de modelado, materiales y texturas, técnicas de iluminación y métodos de render disponibles en la plataforma tecnológica con la que estemos trabajando. | Carlos González 

OBJETIVOS: 
Se parte de una descripción general del concepto de realismo gráfico, para analizar las diferencias entre métodos de despliegue interactivo y métodos de síntesis de imagen. También se estudian estos métodos aplicados a proyectos de visualización de patrimonio para la realización de modelos 3D y la generación de imágenes basados en Realidad Aumentada, Realidad Virtual o generación de contenido multimedia.

REFLEXIÓN: 
A pesar de lo costoso que sigue siendo obtener imágenes y animaciones fotorrealísticas, resulta imprescindible alcanzar este nivel de calidad debido a que cada vez los requisitos de los usuarios son mayores. Por lo tanto, resulta necesario seguir trabajando en este campo para conseguir mallas simplificadas (Low-Polymeshes) sin perder nivel de realismo al incorporar la textura, especialmente en la digitalización de nuestro patrimonio la cual, ya sea mediante fotogrametría o escáner láser 3D da como resultado nubes de puntos y mallas muy densas.

DOCUMENTOS:
El test de la prueba lo he encontrado especialmente útil para asentar los conceptos más importantes del tema, al igual que el estudio sobre motores de renderizado realizado en la actividad:
          • Mental Ray (incluido en 3Ds MAX y Viz): El renderizador mental ray de mental images (alemania) es un renderizador de uso general con capacidad para generar simulaciones físicamente correctas de los efectos de iluminación, incluida la reflexión y refracción de Raytrace, efectos cáusticos e iluminación global. http://www.mentalimages.com/index.html
          • V- Ray: Desarrollado por la compañía Chaos Group (Bulgaria) es un renderizador basado en tecnología Raytracer de uso extendido en visualización arquitectónica, permite generar simulaciones físicamente correctas de los efectos de iluminación, incluida la reflexión y refracción de Raytrace, efectos cáusticos e iluminación global. http://www.chaosgroup.com/
          • Brazil: Elaborado por la empresa SplutterFish es un sistema avanzado de renderización de iluminación global y raytrace de gran calidad para 3ds MAX y VIZ, permite obtener efectos cáusticos. http://www.splutterfish.com/
          • Maxwell render: Es un motor de render que trabaja con luz físicamente realista, sus algoritmos y ecuaciones reproducen todos los comportamientos de la luz. Es desarrollado por la compañía Next Limit. http://www.maxwellrender.com/
          • FinalRender: Disponible para 3ds MAX 6, Final Render es un sistema avanzado desarrollado por Cebas (2002). Permite emular la dispersión de la luz. http://www.finalrender.com/

COMPARATIVA I
(Pulsa en la imagen para verla ampliada)

1. Mapa de Luces / Fotones = Permite reducir los tiempos de render con GI en animaciones
2. Luz Espectral = Luz interpretada de forma electromagnetica, permite detectar el infrarrojo y el ultravioleta
3. Dispersion de la luz = Efecto de descomposición de la luz blanca en varios colores.
4. SSS Material = Sub-surface Scattering, simula la dispersión en una subsuperficie, como la piel humana.
5. Ambient Oclussion (3) = Shader para emular rápidamente Iluminación indirecta    

COMPARATIVA II
(Pulsa en la imagen para verla ampliada)

VENTAJAS E INCONVENIENTES
(Pulsa en la imagen para verla ampliada)



MATERIA APRENDIDA:
          • Capacidad para diferenciar las técnicas de generación de imagen en medios interactivos y en síntesis de imagen realista. 
          • Capacidad para utilizar de forma eficiente el pipeline de visualización gráfico. 
          • Capacidad para la creación y explotación de sistemas de representación realistas en el ámbito del patrimonio virtual. 
          • Capacidad para la gestión y adaptación de contenidos multimedia específicos para su utilización en sistemas gráficos de visualización de patrimonio. 
          • Capacidad para utilizar métodos, técnicas, programas de uso específico, normas y estándares en el ámbito de la Computación Gráfica para la visualización de patrimonio. 
          • Capacidad para evaluar el rendimiento y la complejidad de los sistemas de representación realistas aplicados a la visualización de patrimonio. 

REPRODUCCIÓN:
De este capítulo me gustaría reproducir conceptos clave del temario dad su importancia:

1.- Existen tres niveles de realismo:
          • Realismo físico: Modelo matemático completo y preciso al igual que la iluminación. Nivel difícilmente alcanzable.
          • Fotorrealismo: A mayor precisión en esta simulación, mayor nivel de realismo conseguiremos en la imagen resultado. Menos costoso que el realismo físico pero sigue siendo un proceso muy costoso computacionalmente y se continúan estudiando alternativas de optimización.
          • Realismo funcional: En muchos casos es preferible al fotorrealismo (ilustraciones técnicas, mapas, etc.). Es más conveniente por ser computacionalmente más sencillo. 

2.- La calidad de la imagen generada y el nivel de realismo está relacionada con el tiempo de cómputo.

3.- Cada vez los requisitos de los usuarios son mayores y la imagen de alta resolución que hace cinco años tenía 1024x768 píxeles, hoy en día es considerada de baja resolución.

4.- La técnica de Modelado de Contorno es la más empleada en visualización de patrimonio: únicamente representan la superficie límite del objeto (la "cáscara") por lo que son más fáciles de definir y modificar.

5.- La finalidad del modelo 3D debe condicional el nivel de detalle de la geometría que lo forma. Es importante mantener tan bajo como sea posible el número de polígonos de un modelo.

6- No es posible usar los "infinitos" triángulos que harían falta para definir correctamente algunas superficies, de modo que hay que recurrir a algunos trucos de sombreado para ocultarlos.

7.- No obstante, no conviene abusar del suavizado en exceso. Esto quiere decir que no debemos intentar simular superficies suaves usando muy pocas caras dado que en el contorno del objeto las caras si se llegan a distinguir y la interpolación es lineal, por lo que una cara demasiado grande no aparenta una curvatura real. (Por ejemplo, no podemos intentar representar una esfera a partir de un cubo suavizando las normales).

8.- El sombreado final de la superficie se obtiene como combinación de los cuatro modos de sombreado siguientes: difuso, especular, ambiental y de emisión.

9.- Para utilizar las texturas de imagen es necesario indicar cómo queremos aplicar esa textura 2D a la geometría del modelo 3D. El mapeado UV es una técnica ampliamente utilizada en gráficos por computador dada su alta eficiencia ya que permite "pegar" la textura al modelo de una forma muy precisa.
10.- El cálculo de sombras trae asociado un coste computacional importante. 
11.- La disparidad de aproximaciones y la falta de unidad en los convenios de nombrado, hacen que la categorización de las técnicas de animación por computador sea difícil. 

12.- La principal ventaja de la Oclusión Ambiental es que es bastante más rápida que las técnicas que realizan un cálculo correcto de la iluminación indirecta. Además, debido a la sencillez de los cálculos, pueden realizarse aproximaciones muy rápidas empleando la GPU, pudiendo utilizarse en aplicaciones interactivas.

13.- El cálculo de la radiosidad es eficiente para el cálculo de distribuciones de luz en modelos simples con materiales difusos, pero resulta muy costoso para modelos complejos (debido a que se calculan los valores de energía para cada parche del modelo) o con materiales no difusos.

14.- Los métodos de síntesis de imagen realista son, en genral, muy costosos computacionalmente, principalmente debido a la necesidad de calcular la intersección más cercana de cada rayo con los objetos que hay en la escena.
15.- Libro recomendado por el autor del capítulo para profundizar en cuestiones matemáticas y de implementación y desarrollo:


(Pulsa en la imagen para verla ampliada)
Más información en: http://www.realtimerendering.com/

SÍNTESIS:
Se está encontrando un gran apoyo en programas de  creación de videojuegos para simplificar las mallas, dado que es en este campo donde los escenarios cada vez son más grandes y con mayor detalle. Como ya comenté en el tema 8 de Documentación e Investigación, se debe seguir investigando en esta línea pero para extraer los conceptos aplicables al patrimonio de los programas de videojuegos y crear nuevos programas específicos que nos faciliten el actual proceso desde la captura de datos hasta la renderización de un modelo de visualización de patrimonio.


Conceptos nuevos:
          • RayCasting: Método que se basa en lanzar rayos desde el plano de imagen, uno por cada píxel, y encontrar el punto de intersección más cercano con los objetos de la escena.
          • Realistic Image Synthesis (Síntesis de imagen realista): Representación de imágenes de objetos tridimensionales, cuya descripción matemática está almacenada en la memoria de un computador, con el mayor realismo posible de forma que un observador humano no pueda diferenciar si se trata de una fotografía o de una imagen generada mediante un motor de render.
          • Taxometría: Me ha sido imposible encontrar su significado ya que no figura en el diccionario de la RAE...
          • Workflow: Flujo de trabajo, en nuestro caso, las distintas fases para llevar a cabo la representación de una imagen o animación 3D.
          • Per pixel lighting: Métodos de iluminación por píxel gracias a las tarjetas gráficas, de modo que por cada píxel de la escena se calcula la contribución real de la iluminación.
          • Texel (Texture Element): Un píxel de una textura.
          • Lumel (Lumination Element): Un píxel de un mapa de iluminación.
          • Pathtracing: Método que se basa en las ideas del Distributed Ray Tracing (técnica del trazado de rayos que permite calcular de una forma unificada la reflexión y la refracción de la luz, sombras, eliminación de superficies ocultas y otros efectos necesarios para conseguir escenas fotorrealistas), para calcular todos los posibles caminos de luz.
          • Mapa de fotones: se basa en desacoplar la representación de la iluminación de la geometría. Se realiza en dos pasos, primero se construye la estructura del mapa de fotones (trazado de fotones), desde las fuentes de luz al modelo. En una segunda etapa de render se utiliza la información del mapa de fotones para realizar el renderizado de manera más eficiente.
          • Caústicas: Efectos de concentración de luz cuando pasan a através de lentes, objetos de cristal, etc.
          • Bounding Volume Hierarchy BVH: Jerarquía de volúmenes límite que calcula el volumen límite (típicamente una esfera o una caja) que contiene al objeto y agrupan estos volúmenes jerárquicamente.
          • Oversampling (sobremuestreo): es el proceso de muestreo de una señal con una frecuencia de muestreo significativamente mayor que dos veces el ancho de banda o la más alta frecuencia de la señal que está siendo muestreada. Ayuda a evitar aliasing (efecto que causa que señales continuas distintas se tornen indistinguibles cuando se muestrean digitalmente), mejora la resolución y reduce el ruido.

Profesores: Dr. Carlos González Morcillo
Escuela Superior de Informática
Universidad de Castilla-La Mancha. UCLM. Ciudad Real.
 
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